基于虛擬儀器的感應(yīng)電機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：以非接觸式的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法為核心，基于虛擬儀器和LabVIEW設(shè)計(jì)了一種感應(yīng)電機(jī)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同步、實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速、三相電壓和三相電流等多路信號(hào)，并對采得的信號(hào)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)回放和分析處理以及圖形打印等功能。通過部分試驗(yàn)測試表明了系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：虛擬儀器；LabVIEW；非接觸式；轉(zhuǎn)速測試；電機(jī)測試

0 引言
    電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，因此電機(jī)的測試亦尤為重要。中小型電機(jī)的測試項(xiàng)目分為兩大類：檢查試驗(yàn)和形式試驗(yàn)。傳統(tǒng)的人工測試法就是通過電壓表、電流表、功率表等各種測試儀表對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，實(shí)驗(yàn)人員對各測試儀表人工讀取測試數(shù)據(jù)，進(jìn)行記錄后人工憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析比較，看是否滿足各項(xiàng)指標(biāo)的要求，以便確定其外特性和使用的最佳運(yùn)行條件。這種方法測試點(diǎn)多，采集數(shù)據(jù)量大，后期處理和分析靠人工進(jìn)行很復(fù)雜且費(fèi)工費(fèi)時(shí)，其檢測的結(jié)果準(zhǔn)確性也較差。本文以非接觸式的電機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法為核心，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)相結(jié)合的虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了一套電機(jī)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)完成了同步、實(shí)時(shí)監(jiān)測電機(jī)的轉(zhuǎn)速、三相電壓和三相電流等多路信號(hào)，并對采得的信號(hào)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、動(dòng)態(tài)回放和分析處理以及圖形打印等功能。

1 信號(hào)的測試方案
1．1 基于虛擬儀器的非接觸式電機(jī)轉(zhuǎn)速測量
    由異步電動(dòng)機(jī)的電磁關(guān)系可知，只要其定子電流頻率、轉(zhuǎn)子電流頻率和極對數(shù)確定，便可由式(1)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(單位：r／min)。
   
    非接觸式電機(jī)轉(zhuǎn)速測量采用霍爾傳感器。其感應(yīng)到的電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的漏磁通變化轉(zhuǎn)化為霍爾元件的輸出電壓變化，再利用虛擬儀器強(qiáng)大的軟件功能對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。
    轉(zhuǎn)子在額定轉(zhuǎn)速下的電流頻率在0．75～3 Hz左右，屬于超低頻范圍，霍爾元件的感應(yīng)十分微弱，往往感應(yīng)定子產(chǎn)生的電動(dòng)勢是感應(yīng)轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢的100倍以上，因此，硬件電路必須對信號(hào)進(jìn)行有效的放大和濾波，提高信噪比。硬件調(diào)理電路如圖1所示，其中經(jīng)調(diào)試確定各元件的取值分別為：R1=20 kΩ，R2=200 kΩ，R3=473 kΩ，C1=C2=1 μF，運(yùn)算放大器為OP07。

    虛擬儀器的軟件數(shù)據(jù)處理方案為：首先對數(shù)據(jù)采集卡采集到的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行低通濾波和高通濾波，將分別得到轉(zhuǎn)子和定子的交變磁場頻率范圍。此時(shí)再分別對得到轉(zhuǎn)子和定子的交變磁場頻率范圍進(jìn)行加窗處理，然后對高通和低通數(shù)據(jù)分別利用頻率的估值節(jié)點(diǎn)得到各自頻率值，按式(1)計(jì)算得到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。
1．2 電壓測量
    將電機(jī)定子端三相電壓由導(dǎo)線引入電壓互感器PT，再經(jīng)過各自的隔離變換和整形濾波電路后，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可以采集的輸出信號(hào)。電路如圖2所示，二次負(fù)載基本為0。被測的輸入電壓Vin通過限流電阻R4限流，產(chǎn)生的0～2 mA電流通過電壓互感器感應(yīng)出相同的0～2 mA，通過運(yùn)算放大器OP07，調(diào)整反饋電阻R5的值在輸出端得到所要求的電壓輸出。電容C選用CBB電容，D1，D2二極管為1N4148起保護(hù)作用。C0為抗干擾電容，取C0_=1 000 pF；限流電阻R4取49．890 kΩ；反饋電阻R5=2．5 kΩ。

1．3 電流測量
    將電機(jī)定子端三相電流由導(dǎo)線引入電壓互感器CT，再經(jīng)過各自的隔離變換和整形濾波電路后，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)采集卡可以采集的輸出信號(hào)。電路如圖3所示，直接在電流互感器HCT217的輸出端并聯(lián)電阻R6就可以得出峰值不大于4 V的輸出電壓。這里選取二次負(fù)載R6=600 Ω。

2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)由相應(yīng)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、信號(hào)調(diào)理機(jī)箱(SCXI)、數(shù)據(jù)采集卡(PXI-6025E)和PXI主控機(jī)(PXI8174)等，其框圖如圖4所示。

    系統(tǒng)選用NI公司的四槽SCXI-1100信號(hào)調(diào)理機(jī)箱和PXI-6025E多功能PXI總線數(shù)據(jù)采集卡。SCXI機(jī)箱為SCXI模塊提供電源，并負(fù)責(zé)SCXI系統(tǒng)和DAQ設(shè)備之間的信號(hào)連接。SCXI-1100信號(hào)調(diào)理模塊，32路多路復(fù)用，差分放大器，信號(hào)范圍為±10 V電壓信號(hào)，4～20 mA電流信號(hào)。PXI-6025E數(shù)據(jù)采集卡提供8路差分或16路單端模擬輸入，2路模擬輸出，12位分辨率，采樣率為200 KSPS，量程為±0．05～±10 V。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)采用NI公司的虛擬儀器圖形化軟件開發(fā)平臺(tái)LabVIEW。根據(jù)系統(tǒng)要求，軟件主要完成的功能包括系統(tǒng)信息部分、監(jiān)測平臺(tái)部分以及數(shù)據(jù)處理部分，如圖5所示。其中系統(tǒng)信息部分包括測試時(shí)間、測試人員姓名、測試名稱以及測試地點(diǎn)等信息；監(jiān)測平臺(tái)包括電機(jī)轉(zhuǎn)速、三相電壓和三相電流的初始采集樣本波形及其經(jīng)虛擬儀器軟件分析處理后的還原波形；數(shù)據(jù)處理部分包括數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、對存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的讀取及FFT分析、選擇打印等功能。

    軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，將程序分為以下功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、歷史查詢模塊和數(shù)據(jù)打印模塊等。
3．1 數(shù)據(jù)采集及處理模塊
    數(shù)據(jù)采集模塊采用Input Express VI>DAQ Assistant節(jié)點(diǎn)，通過屬性設(shè)置對話框可逐項(xiàng)配置。對所采集的原始信號(hào)分別顯示，并分別進(jìn)行處理，得到需要的信號(hào)波形，最后再分別顯示。
    DAQ Assistant節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的是多通道采集任務(wù)，故此時(shí)該節(jié)點(diǎn)的輸出DDT亦為多個(gè)信號(hào)的合并，這時(shí)采用Split Signals Express VI把各個(gè)信號(hào)分離，實(shí)現(xiàn)對各個(gè)信號(hào)的獨(dú)立操作(顯示并處理)。
    由霍爾傳感器采集的電機(jī)定轉(zhuǎn)子漏磁信號(hào)的采集處理是先對由霍爾傳感器采集的電機(jī)定轉(zhuǎn)子漏磁信號(hào)分別采取低通濾波和高通濾波(濾波器設(shè)計(jì)同樣使用Express VI，下面會(huì)做以簡單介紹)，然后分別采用Signal Analysis Express VI)Tone節(jié)點(diǎn)求取這兩個(gè)濾波后信號(hào)的頻率便得到定子頻率和轉(zhuǎn)子頻率并分別顯示，此時(shí)由式(1)便可計(jì)算得出電機(jī)的轉(zhuǎn)速值，除了給出數(shù)值顯示外還給出了波形顯示，以便方便的觀察轉(zhuǎn)速值的整體趨勢。
    濾波器采用Signal Analysis Express VI>Filter Express VI節(jié)點(diǎn)?？膳渲脜?shù)包括濾波類型、濾波器類型、截至頻率、階數(shù)、波形顯示的觀測模式等。完成參數(shù)配置后，可以直接在對話框中進(jìn)行調(diào)試。
3．2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢和打印
    數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和查詢功能主要由Write LabVIEWMeasurement File Express VI節(jié)點(diǎn)和Read LabVIEWMeasurement File Express VI節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。可選擇包括存儲(chǔ)文件名稱、存儲(chǔ)路徑、是否提示存儲(chǔ)為同一個(gè)文件、當(dāng)一個(gè)文件存在時(shí)該如何選擇以及文件的說明信息等。

    數(shù)據(jù)打印模塊的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對所查詢歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇性的打印，該模塊主要由選擇結(jié)構(gòu)組成。圖6所示為該模塊的部分后面板框圖。所用主要節(jié)點(diǎn)為：Reprort Generation>New Reprort VI，AppendControl Image to Report VI，Set Report Header Text VI，SetReport Footer Text VI，Dispose Report VI。該模塊設(shè)計(jì)的可供打印數(shù)據(jù)包括轉(zhuǎn)速波形、三相電壓波形及其FFT分析波形、三相電流波形及其FFT分析波形。打印時(shí)可根據(jù)需要在前面板上鉤選其中任意一組或多組數(shù)據(jù)。同時(shí)，打印內(nèi)容還包括紙張的頁眉和頁腳信息，即測試系統(tǒng)名稱、測試人員姓名和測試時(shí)間。
3．3 創(chuàng)建應(yīng)用程序
    運(yùn)用LabVIEW的Application Build工具包將程序轉(zhuǎn)換成可執(zhí)行文件(后綴為．exe)，這樣程序便可脫離LabVIEW環(huán)境運(yùn)行，和普通的應(yīng)用程序一樣可以運(yùn)行在操作系統(tǒng)中。

4 結(jié)語
    通過對數(shù)臺(tái)感應(yīng)電機(jī)的測試表明該測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各參數(shù)測量準(zhǔn)確性高，符合系統(tǒng)實(shí)際要求，能很好地完成測試和分析處理。同時(shí)，基于虛擬儀器系統(tǒng)使用靈活方便、功能豐富，并具有良好的擴(kuò)展性。